Лаборатория Механических испытаний

Прочность—залог успеха

Ударна в'язкість - це здатність матеріалу поглинати механічну енергію в процесі деформації і руйнування під дією ударного навантаження. Як правило, ударна в’язкість оцінюється роботою, що виконана при руйнуванні надрізаного зразка при ударному згині, віднесеною до площі його перерізу в місці надрізу.

Ударна в'язкість – умовна характеристика, що сильно залежить від розмірів зразка, форми і стану поверхні надрізу. За температурною залежністю ударної в'язкості оцінюють схильність матеріалу до крихкого руйнування (холодноламкість). При низьких температурах у більшості чорних металів крихкість зростає із зниженням ударної в'язкості. Для таких металів ударними випробуваннями з поступовим зниженням температури вдається встановити так звану критичну температуру крихкості — температуру, при якій відбувається різке зменшення ударної в'язкості металу. Критична температура крихкості різних металів різна. Нижче цієї температури метал стає непридатним для роботи при динамічних впливах.

При динамічних навантаженнях в умовах складного напруженого стану в області надрізу багато деталей машин, що мають отвори, канавки для шпонок, різні вхідні кути й т.п. Низька ударна в'язкість служить підставою для бракування матеріалу.

ПРИЙНЯТІ ПОЗНАЧЕННЯ

U₁ – запас енергії маятника перед ударом, [Дж]

U₂ – запас енергії маятника після удару, [Дж]

W – робота, витрачена на злам зразка, [Дж]

KC – ударна в’язкість, [Дж/м²]

A – площа ослабленого надрізом перерізу зразка, [м²]

l – відстань від центру удару до осі гойдання маятника, [м];

g – прискорення вільного падіння, [м/с²];

Т – період повного коливання маятника, [с].

 

Основні відомості з теорії

 

Ударні випробування класифікуються:

- за видом деформації — на згин, розтяг, стиск, кручення, зріз;

- за швидкістю прикладання навантаження — звичайні (4...7 м/с), швидкісні (100...300 м/с) і надшвидкісні (понад 300 м/с);

- за числом ударів – одним ударом чи повторними ударами;

- за температурою випробувань.

При низьких температурах більшість чорних металів стають крихкими, ударна в'язкість їх також знижується. Для таких металів ударними випробуваннями з поступовим зниженням температури визначають критичну температуру крихкості — температуру, при якій відбувається різке зменшення ударної в'язкості металу. Критична температура крихкості різних металів різна. Нижче цієї температури метал стає непридатним для роботи при динамічних впливах.

Найбільш поширеним динамічним випробуванням є випробування на ударний згин (ударну в'язкість) зразків прямокутного перерізу з надрізом посередині. Ударна в'язкість матеріалу - це кількість енергії (роботи), що витрачається на руйнування зразка при ударних навантаженнях, віднесена на площу при надрізі. Наявність надрізу, створюючи концентрацію напружень, сприяє руйнуванню матеріалу зразка навіть пластичного матеріалу.

На даний час найпоширенішими методами визначення ударної в'язкості є метод Шарпі і метод Ізода. Основною принциповою відмінністю методів Шарпі та Ізода є спосіб встановлення випробуваного зразка.

Ударна міцність за методом Ізода

Ударною в'язкістю зразків із надрізом за методом Ізода є енергія удару, витрачена на руйнування надрізаного зразка, віднесена до вихідної площі поперечного перерізу зразка в місці надрізу. Зразок при випробуванні одним кінцем вертикально затискають у лещатах ударного копра (рис. 1).

Рисунок 1 – Метод вимірювання ударної в’язкості по Ізоду

Досліди зразків із надрізом на ударну міцність за Ізодом стали стандартним методом для порівняння ударної міцності пластиків. Результати цих дослідів широко використовуються як довідкові для порівняння ударних в'язкостей матеріалів. Досліди зразків із надрізом на ударну міцність за Ізодом найкраще застосовувати для визначення ударної в'язкість виробів, що мають багато гострих кутів, наприклад, ребер, стінок, що перетинаються та інших концентраторів напружень.

Метод випробування за Шарпі

Суть методу полягає у випробуванні, при якому зразок, що лежить на двох опорах, зазнає удару маятника, причому лінія удару знаходиться посередині між опорами і безпосередньо навпроти надрізу у випадку зразків із надрізом. Повну роботу копра, витрачену на ударне руйнування зразка, визначають як різницю між його початковою і кінцевою (після удару) потенційними енергіями (Рис. 2).

Сталі, що використовуються для виготовлення деталей, які працюють при динамічних навантаженнях, повинні мати ударну в'язкість не меншу за 5·10⁵ Дж/м²

Випробування на ударний згин проводять на маятникових копрах. Ці копри за ГОСТ 10708-82 повинні забезпечувати швидкість руху маятника в момент удару:

5 ± 0,5 м/с — для копрів з номінальною потенціальною енергією маятника 50,0 (5,0); 150 (15); 300 (30) Дж(кгс×м);

4 ± 0,25 м/с — для копрів з номінальною потенціальною енергією маятника 25 (2,5); 15 (1,5); 4,5 (0,75) Дж(кгс×м);

3 ± 0,25 м/с — для копрів з номінальною потенціальною енергією маятника 5,0 (0,5) Дж (кгс×м).

Рисунок 2 – Схема випробовування на ударну в'язкість по Шарпі.

1 — маятник; 2 — ніж маятника; 3 — опори

Допускається застосовувати копри з іншою номінальною потенціальною енергією маятника. При цьому номінальне значення потенціальної енергії маятника має бути таким, щоб значення роботи удару складала не менше 10% від номінального значення потенціальної енергії маятника.

Перед випробуванням маятник піднімають на визначену висоту h₁ і фіксують його на рамі у положенні «зарядка». У цьому положенні маятник має деякий запас енергії U₁.

Після відпускання маятника він вільно падає під власною вагою, ударяє по зразку, згинає та руйнує його і піднімається відносно нижнього положення на висоту h₂ (рис. 2). Ця висота тим менша, чим більша робота W, що витрачається маятником на деформацію та руйнування зразка. Якщо знехтувати невеликою втратою енергії на тертя в підшипниках, то роботу, витрачену на злам зразка, можна визначити з виразу W = U₁ - U₂ = Q(h₁ - h₂), де Q - вага маятника.

Ударна в'язкість визначається як відношення роботи, витрачену на злам зразка W до площі ослабленого надрізом перерізу зразка А:

.

Стандартна одиниця вимірювання ударної в'язкості - Дж/м² (система СІ). Раніше використовувалась одиниця кГ×м/см².

Центр удару

Як відомо, відстань від осі гойдання маятника до його центру удару довжині математичного маятника, ізохронного з даними фізичним.

Період коливання математичного маятника визначається з формули:

,

де l – відстань від центру удару до осі гойдання маятника, [м];

g – прискорення вільного падіння, [м/с²];

Т – період повного коливання маятника, [с].

Відзначимо, що період повного коливання маятника не залежить від ваги молота. З цього відстань від осі гойдання до центру удару може бути отримана з формули: .

Підставивши у цю формулу значення прискорення вільного падіння (для Києва g = 9,81074 м/с²), матимемо

Таким чином, визначення положення центру удару легко зробити, знаючи час одного повного коливання маятника. Для цього треба відхилити маятник на кут, приблизно в 10 градусів і за допомогою секундоміра визначити час достатньо великого числа (50…60) повних коливань і розділити цей час на число коливань.

Ударна в'язкість однієї й тої ж сталі залежить від її структури, причому цю залежність при статичних випробуваннях виявити неможливо. У табл. 1 наведені результати визначення основних механічних характеристик, а також ударної в'язкості поширених марок сталей. Звернемо увагу, що сталі, що мають майже однакові пластичні властивості при статичних випробуваннях, суттєво відрізняються по ударній в'язкості.

Смотри также